Zanim przystąpię do głównego tematu, muszę wyjaśnić kilka rzeczy, odpowiedzieć na kilka pytań. Nie uciekaj drogi czytelniku w tym momencie, przebrnij przez ten wstęp - gwarantuję, że się opłaci. Koncepcje, które chcę przybliżyć, wyglądają skomplikowanie gdy ich istota schowana jest za setkami wzorów matematycznych. Tu nie będzie żadnych wzorów, tylko poproszę czytelnika by wytężył troszeczkę wyobraźnie.
Fale
Co to są fale? Fale morskie, fale radiowe, fale dźwiękowe. To wszystko są fale. Światło bywa falą.
Wszystkie te fale mają kilka parametrów, które je opisują. Częstotliwość fal świetlnych ma wpływ na kolor światła, częstotliwość fal dźwiekowych ma wpływ na wysokość dźwięku. Fala o wyższej częstotliwości będzie miała więcej "górek" i "dołków" na sekundę niż fala o częstotliwości mniejszej. Fale też mają swoje fazy. Gdy dwie fale mają zgodną fazę to się "dodają" czyli amplituda fali wynikowej będzie wyższa. Gdy fale mają fazę przeciwną to amplituda fali wynikowej będzię mniejsza. To się nazywa interferencja. Fale mogą się na siebie nakładać wynikiem czego się "dodają" lub "odejmują".
Prawdopodobieństwo
Jakie jest prawdopodobieństwo, że rzucając monetą zobaczę "reszkę". Mniej więcej 50%. Ściślej mówiąc połowa czyli 0.5. Prawdopodobieństwo mieści się w przedziale od zera do jedności. Im wyższa wartość prawdopodobieństwa tym bardziej możemy być pewni, że coś się wydarzy. Należy jednak pamiętać, że nawet zdarzenia o prawdopodobieństwie 0.00001 (Czy dzisiaj trafi mnie piorun?) mogą się zdarzyć, a zdarzenia niemal pewne, czyli z prawdopodobieństwem 0.99999 niekoniecznie. Aczkolwiek statystycznie, gdybyśmy mogli przeprowadzić miliony eksperymentów to najprawdopodobniej prawdopodobieństwo oddawałoby dość dobrze częstość. Ile razy wyrzucę reszkę rzucają monetą tysiąc razy? 495? a może 507? W każdym razie około połowy z tysiąca. Choć może się oczywiście zdarzyć, że rzucę tysiąc razy pod rząd "orła". Chociaż nie liczyłbym na to.
Uzbrojeni w tę podstawową wiedzę możemy przejść do rzeczy. Jak obiecałem, żadnych matematycznych wzorów, same eksperymenty. Do dzieła!
Wyobraźmy sobie, że mamy działo strzelające cząsteczkami, dajmy na to elektronami. Na przeciwko działka stoi czarny ekran, który za każdym razem gdy trafi w niego elektron robi się bielszy w punkcie zderzenia. Jakiego możemy się spodziewać wzoru na ekranie? Prawdopodobnie jakiejś białej kropki, której rozmiar zależy od celności naszego działka. Na razie nie ma tu żadnej magii.
Ale co się stanie gdy między ekran i nasze działko wstawimy przeszkodę składającą się z dwóch blisko położonych dziurek? Spodziewamy się pojawienia się dwóch kropek? Nic bardziej mylnego.
Zobaczymy mniej więcej taki obraz:
Nasz eksperyment wygląda mniej więcej tak:
Jak to się stało? Jak to wytłumaczyć? Można spojrzeć na sprawę tak:
Elektrony zachowały się po prostu jak fale, które ze sobą interferowały. Czyli gdzieniegdzie się "dodawały" a gdzieniegdzie "odejmowały". Elektrony przechodząc przez przeszkody zachowały się jak fale (czyli bez jednoznacznej pozycji w przestrzeni), zderzając się z ekranem zachowały się jak cząsteczki zostawiając konkretne ślady. Ale naukowcy nie chcąc dać się nabrać naturze pomyśleli tak: A co jeśli będziemy "strzelać" elektronami pojedyńczo tak by nie miały szansy interferować? Jakże ich miny zrzedły gdy na ekranie zaczął się pojawiać taki sam obrazek jak poprzednio: elektron interferował sam ze sobą tak jakby przechodził przez dwie dziurki na raz! Przecież to niemożliwe! Ale jednak. Znów był wyraźny ślad interferencji mimo, że na zdrowy rozsądek coś takiego nie mogło mieć miejsca.
Pojawił się pomysł by przy jednej z dziurek postawić detektor, który wykryje przez którą dziurkę przeleciał elektron. Wystarczy tuż przed przeszkodą postawić laser i czujnik: Laser oświetli elektron a czujnik wykryje odbite od elektronu światło gdy ten przeleci w pobliżu. Co się okazało? Elektrony poddane obserwacji grzecznie przelatywały przez jedną albo drugą dziurkę a na ekranie znów pojawił się obraz dwóch kropek. Żadnej interferencji. Czyżby elektrony "wiedziały" że są obserwowane i magicznie zmieniały się z fal w cząsteczki? Drogi Czytelniku, nic bardziej mylnego. Kluczowe jest tutaj to, że obserwacja jest tak naprawdę ingerencją wszak traktujemy elektrony laserem. W momencie gdy elektron odziaływuje ze światem (w tym wypadku z fotonami z lasera) jego falowa postać bez bliżej określonej pozycji w przestrzeni ulega niejako "zmaterializowaniu" efektem czego elektron wydaje się, że przechodzi przez jedną albo drugą dziurkę a my an na ekranie nie widzimy już efektu interferencji elektronów tylko dwie kropki.
Bardziej dociekliwy czytelnik może zapytać: ale co tu tak naprawdę jest falą? Jaka jest fizyczna reprezentacja fali elektronu? Sęk w tym, że jak na razie fizycy nie znaleźli fizycznej reprezentacji fali elektronu (i innych cząsteczek) natomiast potrafią ją matematycznie opisać a potem zinterpretować. A ta interpretacja może się wydać bardzo dziwna. Pamiętacie fale i prawdopodobieństwa? Jestem pewien, że tak. A co gdyby cząsteczkom przypisać nie faktyczne położenie tylko prawdopodobieństwo znalezienia danej cząsteczki w danym miejscu? To się właśnie nazywa funkcja falowa: kwadrat wartości tej funkcji oznacza prawdopodobieństwo znalezienia danej cząsteczki w przestrzeni. A gdyby funkcję falową określić dla kibica piłkarskiego w czasie meczu? Zapewne wartość tej fukcji byłaby zwiększona w okolicach stadionu i telewizora chociaż bez pomiaru (w tym wypadku wystarczy zadzwonić do kibica) nigdy nie mielibyśmy pewności gdzie tak naprawdę jest nasz kibic. I właśnie interferencja funkcji falowej elektronu jest odpowiedzialna za pojawianie się nieoczekiwanego wzoru na naszym ekranie. Oczywiście można zapytać dlaczego fakt ingerencji w "życie" elektronu poprzez obserwację doprowadza do jego "materializacji" i "zniszczenia" jego funkcji falowej w danym momencie (zwanego fachowo kolapsem funkcji falowej).
I zapewniam Cię, drogi Czytelniku, że to nie jest najbardziej magiczna rzecz, która dzieje się obok Ciebie każdego dnia. Więcej napiszę wkrótce. A jeśli nie możesz się doczekać (jeah, wishfull thinking) to google i nic nie jest trudne. Spróbuj "double-slit experiment" i "wave function". Tylko ostrzegam: tam będzie duuużo więcej matematyki niż tu. A to w zasadzie wszystko okazuje się proste gdy tylko porzuci się "zdrowy rozsądek".
W następnym odcinku planowałem odpowiedzieć na pytanie czy "księżyc istnieje gdy na niego nie patrzymy" ale jestem otwarty na sugestie. Pozdrawiam i miłej niedzieli.
[ Ostatnio edytowany przez: badfish 28-09-2014 11:04 ]
Niebo gwiazdziste nade mna prawo moralne we mnie
Wczytuję dane...